توصيفگر ها :
آلياژ هاي تيتانيوم , آلياژ TNTZ , تف جوشي پلاسما جرقهاي , كاربرد هاي زيست پزشكي
چكيده فارسي :
در اين پژوهش، آلياژهاي چهارتايي تيتانيوم-نيوبيوم-زيركونيم-تانتالوم بهعنوان جايگزينهاي زيستسازگار براي آلياژهاي متداول Ti–6Al–4V طراحي و به روش تفجوشي پلاسماي جرقهاي ساخته شدند. هدف اصلي اين تحقيق، ارزيابي تأثير درصدهاي مختلف عناصر آلياژي بر ريزساختار، رفتار مكانيكي و مقاومت به خوردگي نمونهها بود. براي اين منظور، دو گروه تركيب آلياژي شامل تغيير درصد تانتالوم (1، 5 و 10 درصد وزني) و تغيير درصد زيركونيم (4، 7 و 10 درصد وزني) مورد بررسي قرار گرفتند. پودرهاي اوليه با خلوص بالا پس از آلياژسازي مكانيكي تحت شرايط دمايي 1100 درجه سانتي گراد، فشار 50 مگاپاسكال و زمان نگهداري پنج دقيقه، بهصورت نمونههاي متراكم تفجوشي شدند. نتايج آزمون چگالي ارشميدس نشان داد كه تمامي نمونهها داراي چگالي نسبي بيش از 5/99٪ هستند كه بيانگر كارايي بالاي روش تفجوشي پلاسماي جرقهاي در دستيابي به ساختارهاي بدون تخلخل است. تحليل الگوهاي پراش پرتو ايكس حاكي از پايداري فاز بتا در حضور تانتالوم و كاهش سهم فاز آلفا با افزايش اين عنصر بود. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي نيز توزيع يكنواخت عناصر و ريزساختار همگن را در نمونههاي حاوي 5 ٪ تانتالوم و 7 ٪ زيركونيم تأييد كردند. آزمون ريزسختي نشان داد كه با افزايش تانتالوم از 1 ٪ به 10 ٪ مقدار سختي از حدود 350 ويكرز به 400 ويكرز افزايش يافت. همچنين افزودن زيركونيم تا 7 ٪ وزني موجب افزايش يكنواختي فازها و بهبود چقرمگي شكست گرديد. در نتايج به دست آمده از آزمون كشش، بيشينه استحكام كششي نهايي براي نمونه حاوي 5 ٪ تانتالوم و 7 ٪ زيركونيم حدود 1100 مگاپاسكال و كرنش شكست حدود 5/2 ٪ بهدست آمد كه نسبت استحكام به مدول يانگ مطلوبي را براي كاربردهاي كاشتني فراهم ميكند. بر اساس نتايج آزمونهاي الكتروشيميايي، نمونه Ti–35Nb–7Zr–5Ta بالاترين مقاومت به خوردگي را در محلول شبيه مايعات بدن نشان داد و دانسيته جريان خوردگي آن در حدود nA/cm² 51 بود. اين آلياژ به دليل چگالي بالا، مدول پايين، زيستسازگاري مطلوب و فقدان عناصر سمي، ميتواند بهعنوان گزينهاي مناسب براي ايمپلنتهاي استخواني مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
In this study, quaternary titanium–niobium–zirconium–tantalum (Ti–Nb–Zr–Ta) alloys were designed and fabricated as biocompatible alternatives to the conventional Ti–6Al–4V alloy using the spark plasma sintering (SPS) technique. The primary objective of this research was to evaluate the influence of varying alloying element contents on the microstructure, mechanical behavior, and corrosion resistance of the fabricated samples. For this purpose, two alloying series were investigated: one with varying tantalum contents (1, 5, and 10 wt.%) and another with varying zirconium contents (4, 7, and 10 wt.%). High-purity elemental powders were mechanically alloyed and subsequently consolidated by SPS under the conditions of 1100 °C, an applied pressure of 50 MPa, and a holding time of 5 minutes. Archimedes’ density measurements revealed that all samples exhibited relative densities above 99.5%, indicating the high efficiency of the SPS process in achieving nearly fully dense, pore-free microstructures. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the stabilization of the β phase in the presence of tantalum, accompanied by a reduction in the α-phase fraction with increasing Ta content. Scanning electron microscopy (SEM) observations demonstrated a homogeneous microstructure and uniform elemental distribution, particularly in the Ti–35Nb–7Zr–5Ta composition. Microhardness testing indicated that increasing the tantalum content from 1 wt.% to 10 wt.% enhanced the hardness from approximately 350 HV to 400 HV. Furthermore, the addition of zirconium up to 7 wt.% improved phase uniformity and enhanced fracture toughness. Tensile testing revealed a maximum ultimate tensile strength of approximately 900 MPa and an elongation to fracture of around 6%, providing an excellent strength-to-modulus ratio suitable for biomedical implant applications. Electrochemical corrosion tests in simulated body fluid (SBF) demonstrated that the Ti–35Nb–7Zr–5Ta alloy exhibited the highest corrosion resistance, with a corrosion current density of about 51 nA/cm². Owing to its high relative density, low elastic modulus, favorable biocompatibility, and the absence of toxic elements, this alloy can be considered a promising candidate for orthopedic and dental implant applications.